如何编织能预测地震的电磁蜘蛛网

宁波职业技术学院 蒋 敏

1.引言

有资料介绍：在1976年7月28日唐山市7.8级大地震前，在震中处存在强大的地震波电磁场，在收音机的接受端，强大的地震波电磁场就淹没了各个广播电台发出的无线电波，所以唐山市在大地震前收音机收不到广播节目，又因为强大的地震波是外来的地下电磁场，它不是广播电台发出来的的声音、音乐等等，它是属于一种杂波，所以收音机收到的是一些乱七八糟的杂音，听不到一点电台广播的声音。如果地下发出的电磁波是比较弱的电磁波，将在收音机里调制在电台发出的调幅波上不是原来的声音，听起来有些失真，声音变味了。

2.理论基础：麦克斯韦方程组

临近主震发生前，在震源区附近将不断地产生许多新的裂缝，裂缝的两侧带有相反的电荷，它相当于一个电偶极子充放电，向外发射电磁信号。这可由麦克斯韦方程组(1)、(2)、(3)得到解释，方程组是由高斯通量定理、磁通连续性原理(又称为磁场的高斯通量定理)、法拉第电磁感应定律和全电流定律(又称为一般形式下的安培环路定理)4个方程式所组成的：

上式中

是自由空间中的光速。请读者注意麦克斯韦方程组各方程式的积分限：

第1式和第2式中，等号左边是场矢量在封闭曲面S上对坐标的曲面积分，等号右边是在S所包围的体积V内的体积分；

第3式和第4式中，等号左边是场矢量在任意形状闭合曲线L上对坐标的曲线积分，等号右边的曲面S是以L为周界的任意形状的曲面，S的正方向与L的环绕方向呈右手螺旋关系。把磁感应强度矢量B的一般形式下的安培环路定理推广到连续介质的情况，就可以得到一般形式下磁场强度矢量H的安培环路定理。对于连续介质，麦克斯韦方程组可以写成

这样改写之后，麦克斯韦方程组的物理意义就更加完善了。

3.电磁蜘蛛网结构

蜘蛛网是由部分种类的蜘蛛吐丝所编成的网状物，用以捕获昆虫、小型脊椎动物等作食物，或用以结巢居住。蜘蛛可以感应到猎物冲撞或受困于蜘蛛网上时所产生的震动；在完成它们的网后，蜘蛛会在网上或附近等待猎物落入陷阱。蜘蛛网里有些丝有黏性，有些没有。由于蜘蛛本身的行动也会受自己的黏液所影响，因此当它们在网上移动时，会避免踩到带有黏液的丝线。有一些蜘蛛丝的强度比同等重量的钢丝还要强，弹性也较高。圆形蜘蛛网是蜘蛛进化中期出现的蛛网结构，如今在蛛网中非常普遍，具有典型的研究意义，圆形蜘蛛网常呈圆形，并具有一定的对称性，其上半部比下半部小蛛网的网眼大小分析。

4.电磁蜘蛛网工作原理

电磁蜘蛛网由30米、300米、3000米无线发射器各6～8组组成。

由ASK无线发射模块（300米）是一款性能优越的ISM频段的发射模块。采用欧洲品牌工业级射频无线数据传送接收芯片，具有较强的发射功率，低电压供电，无需外加任何电路即可以做到数据信号输入到无线信号输出。用户只需要外加简单的数据解码电路，即可轻易实现无线产品的开发。采用晶体稳频(+-30KHZ)，工作频率稳定，静态功耗低发射时电流消耗：10mA。

由ASK(幅度调制)无线发射模块，工作频率：315MHZ；433MHZ，特点：小体积、大功率、远距离(空旷地3000米)。通信方式：单发；调制速率：3KHz；输入信号接口：TTL电平；辐射功率：1.5w@9V。

由调频遥控器，调制方式：FSK(频率调制)，其特点是：小体积、中功率、远距离(空旷地500米)。发射频率：315/426/433/447/868/915Mhz(软件调整)。遥控距离：100M,200M,500M,1KM,2KM，有无线认证：CE、FCC、KCC、VCCI。按键个数：1,2,3,4,5,6,8,10,12个遥控发射距离远接收功耗低、尺寸小、灵敏度高遥控器和接收模块都能通过美国FCC(part 15)和欧洲CE(R&TTE)无线标准认证。表1是无线电波长与传播方式。

表1 无线电波长与传播方式

5.实验的理论依据

电磁波产生本身存在着不同步现象，有人对岩样施加压力，使岩样产生破裂和摩擦滑动，以模拟地震孕震区构造断裂带的活动。实验结果表明：不同方位、不同频率的天线接收的信号到时不同步、信号幅度也有差异，位于裂隙处的天线接收的信号最大。这说明岩石破裂产生的电磁辐射本身存在着方向性。因此，即使观测网内各个观测点都采用同一观测频率和同一灵敏度，也会出现有的观测点记录到电磁异常信息，有的观测点根本收不到任何异常信号；有的观测点电磁异常信息出现的早，有的观测点电磁异常信息出现的晚。尽管如此，在不同时间内各观测点所观测到的异常信号来源方向仍大体与震中方位一致。从上面的典型震例可以看出，MS5级左右地震电磁异常有的观测点在地震前半个月左右就可能出现，而反应较迟的观测点在震前数天或数小时才出现异常。

6.电磁蜘蛛网制作方法

在空旷地上放置6～8个ASK(幅度调制)无线发射模块(3KM)，就可以在方圆约30平方公里范围内感应到大地电磁场变化，改变FSK(频率调制)模块电阻，就能在中央接收端上分别收到信号，利用专门的定时器，就能每10秒接收一路信号，再由51系列单片机软件判断大地电磁场异常与报警。专门用来地震前监视空间电场变化，这是一种有希望的地震短临预报方法。

7.小结

在当今世界上地震频繁，破坏力很大。如果地震前几个小时，知道地震发生时，可以避免许多可怕的事情。地球是一个复杂的巨系统，建立一个非常精确动力学方程是无法实现的。利用空间电场变化设计的地震临震预报器，该电场参数测量是不必要的进入地球内部，技术上容易实现，已经制成的电磁蜘蛛网地震预报器由多路发射、单路接收机电路组成。由麦克斯韦方程组具体展示临震动力学方程、电磁场规律建立有点复杂的，但利用空间电场变化而设计制成的地震临震预测控制系统则是很简单。利用每10秒接收一路信号循环检测制成的临震预报器将地震前电场变化参数转换为电参数，初步实验测试证明可以用于震前电磁场异常预报。

[1]蒋敏.声光指示电子指南针[J].电子世界,1996.

[2]蒋敏.利用空间电场和大地磁场变化设计的地震临震预报器[J].科技与企业,2012:306-308.

[3]蒋敏.低功耗长时效大地磁场偏移检测器(地震临震预报器)[J].电子世界,2012.